A 14. csoport elemei
anglezit (PbSO4), ceruzit (PbCO3)
Felfedezésük:
Si: 1823 Jons Berzelius (név: a latin ’silex’: kovakő szóból) Ge: 1886 Clemens Winkler
A szén allotróp módosulatai
gyémánt legnagyobb: Cullinan 1905
grafit
gyémánt
lonsdaleit
fullerének, nanocsövek
Si, Ge, Sn, Pb
szilícium
ón
ólom
germánium
szürke ón (ónpestis)
A 14. csoport elemeinek fizikai tulajdonságai
Felhasználásuk: C: gyémánt – csiszolópor, grafit – pl. kompozitok, amorf szén – energiahardozó, szerves vegyipar fullerének, nanocsövek – pl. szerkezeti anyagok Si: félvezetőgyártás Ge: félvezetőgyártás Sn: bronz (20% Sn, 80% Cu) forrasztóón (60% Sn, 40% Pb) vaslemezen védőréteg (passzív korrózióvédelem!) Pb: akkumulátorok, régebben vízvezetékcsövek
A világ gyémánttermelése, feldolgozása, kereskedelme
http://whgbetc.com/mind/diamonds_world_map_rutgers.gif
A világ grafit termelése
A világ szén és szénhidrogén-tartaléka
http://www.australiancoal.com.au/images/fact%20focus%2031_p4.gif
A világ ón termelése (2005)
A világ ólomtermelése és felhasználása
Szénciklus
GtC: Gigatons of Carbon (gigatonna szén)
A 14. csoport elemeinek főbb vegyületei Karbidok: atomrácsos:
SiC, szilícium-karbid (szilitrúd): fűtőelem, csiszolópor B4C, bór-karbid: gyémántnál is keményebb ionrácsos: CaC2, kalcium-karbid (kalcium-acetilid): karbid-lámpák CaO + 3C = CaC2 + CO 2000°C CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 intersticiális: Fe3C: acélban TiC: páncél-acélban fémrács üregeiben a C, kemények, magas o.p. szénhidrogének: CxHy: energiahardozók, szerves vegyipar nyersanyagai
Halogenidek: CCl4: szén-tetraklorid, mérgező, nem gyúlékony, jó oldószer CHCl3: triklór-metán, oldószer, altató hatású CFCl3, CF2Cl2: freonok: hűtőgépekben, légkondicionálókban, de a magas légkörben katalitikusan bontják az ózonréteget CF3-(CF2)n-CF3: teflon: lágy hidrofób, organofób, savnak, lúgnak, oxidálószereknek ellenáll, 600°C-ig stabil
A 14. csoport elemeinek főbb vegyületei CO: szén-monoxid: színtelen, szagtalan, erősen mérgező (hemiglobinhoz kötődik) szerves szintézisek kiinduló vegyülete ipari előállítás: C + H2O = CO + H2 CO2: szén-dioxid: kevésbé mérgező, színtelen, szagtalan gáz tűzoltószer, szénsav-gyártás, szilárd formában hűtésre használják C3O2: O=C=C=C=O szén-szuboxid H2CO3: csak híg vizes oldatban létezik, könnyen elbomlik vízre és CO2-re H2O + CO2 = H2CO3, sói a karbonátok CS2: szén-diszulfid: jellegzetes szagú, mérgező, illékony folyadék, előállítás: 2CH4(g) + 4S(s) = CS2(g) + 2H2S(g) (600 ºC) HCN: hidrogén-cianid (ciánsav): mandulaszagú, rendkívül mérgező gáz, sói a cianidok SiH4: gáz, levegőn spontán meggyullad (SinH2n+2 szilánok n= 1-4 viszonylag stabil) SiCl4: színtelen folyadék, levegőn hidrolizál SiO2: kvarc (lásd korábban) üveg (+Na) különböző szilikátok alumínium szilikátok (+Al) szilikon-olaj: lineáris polimer, viszkózus inert folyadék szilikon-gumi: laza térháló: nem öregszik, szervezetnek nem idegen szilikon-gyanta: térhálós polimer (H2SiO3)n: metakovasav, vízkilépéssel könnyen térhálósodik Na2SiO3: nátrium-szilikát, vízüveg: impregnáló, ragasztó SiC: szilícium-karbid, kemény, csiszolóanyagként
Szilikátok
tetraéderes SiO44– egységek oxigén
szilícium
A 14. csoport elemeinek főbb vegyületei GeO2: germánium-dioxid, argutit nagy törésmutatójú → kameralencsék GeCl4: germánium-tetraklorid hidrolizál GeO2-dá (tiszta GeO2 előállítás) SnO: ón-oxid Sn(OH)2: ón(II)-hidroxid SnO2: ón-dioxid, kassziterit Sn(OH)4: ón(IV)-hidroxid
kvarc (SiO2)
kassziterit (SnO2)
PbO: fehéres, sárga, vörös módosulatok felh.: pigmentek, festék, kerámia, ólomüveg levegőn H2S szennyezés hatására PbS (fekete) PbO2: barna-fekete (akkumulátor) Pb3O4: mínium, narancssárga régebben védőfesték, ma már tiltott PbS: ólom-szulfid, fekete Pb(C2H5)4: ólom-tetraetil: ólmozott benzin adalékanyaga (volt) galenit (PbS)
Ólomszennyezés Felhasznált ólmozott benzin (piros) Vér átlagos ólomtartalma
Ólomszennyezés
A 13. csoport elemei
Felfedezésük:
B: 1808 Sir Humphry Davy, J.L Gay-Lussac (név: Borax-carbon) Al: 1825 Hans Christian Oersted Ga. 1875 Paul Emile Lecoq de Boisbaudran In: 1863 Ferdinand Reich (név: indigó színű sáv a spektrumában) Tl: 1861 Sir William Crookes
B, Al, Ga, In, Tl
bór
bór
alumínium
gallium
indium
tallium
A 13. csoport elemeinek fizikai tulajdonságai
Felhasználásuk: B: bórszálas kompozitok Al: szerkezeti anyagok, ötvözetek, Al-dobozok Ga: félvezetőgyártás In: keménycsapágyak bevonata Tl: mérgek, infravörös szenzorok
Bauxitbányászat és alumíniumtermelés
A világ alumínium termelése
A Világ Al termelése tonnában 2006-ban Világ 33 410 000 1 People's Republic of China 5 896 000 2 Russia 4 102 000 3 United States 3 493 000 4 Canada 3 117 000 5 Australia 1 945 000 6 Brazil 1 674 000 7 Norway 1 384 000 8 India 1 183 000 9 Bahrain 872 000 10 United Arab Emirates 861 000 11 South Africa 855 000 12 Iceland 721 000 13 Germany 679 000 43 Magyarország
28 000
A világ alumínium termelése
Alumíniumgyártás 1. Bayer-féle finomítás
Al2O3 + 2 OH– + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]– 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O 2. Hall-Heroult elektrolízis Na3AlF6 + Al2O3 olvadékelektrolízise grafit katóddal
2Al2O3 + 3C = 4Al + 3CO2
A 13. csoport elemeinek reaktivitása Bór:
2 B + 3 F2 = 2BF3 4 B + 3 O2 = 2B2O3 B + fém = fém-borid (magas hőmérsékleten) nagyon kemény, magas op, kémiailag inert anyagok pl. turinalapátok
Alumínium:
amfoter (savakban és lúgban is oldódik) 2Al + 6H+ = 2 Al3+ + 3H2 Al + OH– + +3H2O = Al(OH)4– + 3/2 H2 levegőn spontán oxidálódik: 2Al + 3/2 O2 = Al2O3 Al2O3 szintén amfoter halogénekkel hevesen reagál: Al + 3/2 X2 = AlX3
Gallium:
Ga és Ga2O3 Al-hoz hasonlóan amfoter
Indium:
In nem oldódik lúgban, oxidja is csak gyengén amfoter
A 13. csoport elemeinek főbb vegyületei BxHy: boránok – koordinatívan telítetlen, elektronhiányos vegyületek → változatos H-hídas szerkezetek (két elektronos három centrumos kötés) NaBH4: nátrium-tetrahidrido-borát: erős redukálószer BX3: (X: halogén) bór-halogenidek BF3 és BCl3 (Lewis adduktok pl. NH3-mal) H B H
F
B-atom környezetében csak 6db (3 pár) elektron oktett szabály nem teljesül!
H
B F
Három centrumos, két elektronos kötés
F
reaktív, öngyulladó H
H B
H
B
H
Cl
H
H
H
Három centrumos, két elektronos kötés
Cl N
H H
B
NH3, N magános elektronpárja „koordinálódik”: datív kötés
Cl
B2O3: bór-oxid, B égetése során: 4B(s) + 3O2(g) = 2B2O3(s) H3BO3: bórsav, savas hatás: B(OH)3 + H2O = B(OH)4− + H+ tűzálló zománcok (BN)x: bór-nitrid, fehér, gyémántnál is keményebb módosulata is létezik B12C3: bór-karbid, kemény, csiszolóporként alkalmazzák B3N3H6: borazin („szervetlen benzol”)
Boránok
A 13. csoport elemeinek főbb vegyületei AlH3: elektronhiányos → Lewis adduktos dimerek, trimerek (H-híddal) Al(CH3)3: trimetil-aluminium: levegőn spontán kigyullad, felh.: szerves vegyipar Ziegler-Natta katalízis LiAlH4: lítium-alumínium-hidrid: erős redukálószer AlX3: AlF3: fehér, vízben oldhatatlan AlCl3: fehér, vízben hidrolizál: AlCl3 + H2O = Al(OH)3 + 3HCl iparban katalizátor KAl( SO4)2⋅12H2O: timsó: kozmetikaipar, bőrcserzés AlP: alumínium-foszfid: rovarirtó, félvezető hidrolizál: AlP + 3H2O = Al(OH)3 + PH3 (robbanás Miskolcon) Al2O3: alumínium edényeken bevonat (eloxálás), kromatográfiás töltet α-Al2O3: korund: kemény → csiszolópor előállítás Al(OH)3 gél dehidratálásával Cement: CaCO3 + alumínium-szilikátok(márga) + SiO2(kvarchomok) őrlés, kiégetés 70% CaO, 20% SiO2, 5% Al2O3 (+ kevés egyéb oxidok) Portland cement: 3CaO∙SiO2, 2CaO∙SiO2, 3CaO∙Al2O3, 4CaO∙Al2O3∙Fe2O3 Kötés: 2(3CaO∙SiO2) + 6H2O = 3CaO∙2SiO2∙3H2O + 3Ca(OH)2 2(2CaO∙SiO2) + 4H2O = 3CaO∙2SiO2∙3H2O + Ca(OH)2
Cementgyártás (2004)
Magyarországon: Lábatlan, Nyergesújfalú, Bélapátfalva, Selyp, Újlak, Beremend, …
